يتكون مكتبك من ذرات فردية ومتميزة، ولكن سطحه يبدو أملسًا من بعيد. هذه الفكرة البسيطة هي جوهر كل نماذجنا للعالم المادي. يمكننا وصف ما يحدث بصورة عامة دون الخوض في التفاعلات المعقدة بين كل ذرة وإلكترون.
لذلك عندما تم اكتشاف حالة نظرية جديدة للمادة التي تستمر سماتها المجهرية بشكل عنيد على جميع المستويات، رفض العديد من الفيزيائيين الإيمان بوجودها.
قال ناثان سيبرج، عالم الفيزياء النظرية في معهد الدراسات المتقدمة في برينستون، نيوجيرسي: "عندما سمعت لأول مرة عن الكسور، قلت إنه لا توجد طريقة يمكن أن يكون هذا صحيحًا، لأنه يتحدى تمامًا تحيزي حول كيفية تصرف الأنظمة"." ولكنني كنت مخطئا. أدركت أنني كنت أعيش في حالة إنكار ".
فاجأ الاحتمال النظري للفراكتونات الفيزيائيين في عام 2011. ومؤخراً، كانت هذه الحالات الغريبة للمادة تقود الفيزيائيين نحو أطر نظرية جديدة يمكن أن تساعدهم في معالجةِ بعضٍ من أصعبِ المشاكل في الفيزياء الأساسية.
الكسور هي أشباه جسيمات - كيانات شبيهة بالجسيمات تنشأ من تفاعلات معقدة بين العديد من الجسيمات الأولية داخل مادة ما. لكن الكسور غريبة حتى بالمقارنة مع أشباه الجسيمات الغريبة الأخرى، لأنها غير متحركة تمامًا أو قادرة على الحركة فقط بطريقة محدودة. لا يوجد شيء في بيئتهم يمنع الكسور من الحركة؛ بل هي خاصية ملازمة لهم. وهذا يعني أن التركيب المجهري للكسور يؤثر على سلوكهم على مسافات طويلة.
"هذا صادم تماما". قال شيه تشين، الباحث في نظرية المادة المكثفة في معهد كاليفورنيا للتقنية، "بالنسبة لي هي أغرب مرحلة في المادة".
الجسيمات الجزئية
في عام 2011، كان Jeongwan Haah، وهو طالب دراسات عليا في معهد كاليفورنيا للتكنلوجيا، يبحث عن مراحل غير عادية للمادة التي كانت مستقرة جدًا بحيث يمكن استخدامها لتأمين الذاكرة الكمية، حتى في درجة حرارة الغرفة. باستخدام خوارزمية الحاسوب، توصل إلى مرحلة نظرية جديدة أطلق عليها رمز Haah. سرعان ما لفتت هذه المرحلة انتباه علماء الفيزياء الآخرين بسبب أشباه الجسيمات غير المنقولة التي تتكون منها.
بدت، بشكل فردي، وكأنها مجرد كسور من الجسيمات، قادرة فقط على التحرك معًا. وسرعان ما تم العثور على المزيد من الأطوار النظرية ذات الخصائص المتشابهة، وهكذا في عام 2015 صاغ Haah - سويا مع Sagar Vijay و Liang Fu - مصطلح "fractons" لأشباه الجسيمات الجزئية الغريبة. (يُنسب الآن إلى ورقة سابقة ولكن تم التغاضي عنها من قبل كلاوديو شامون الاكتشاف الأصلي لسلوك الكسر.)
لمعرفة ما هو استثنائي حول أطوار الكسر، ضع في اعتبارك جسيمًا نموذجيًا، مثل الإلكترون، يتحرك بحرية عبر مادة ما. الطريقة الغريبة ولكن المعتادة التي يفهم بها بعض الفيزيائيين هذه الحركة هي أن الإلكترون يتحرك لأن الفضاء مليء بأزواج الإلكترون والبوزيترون التي ظهرت بصفة مؤقتة داخل وخارج الوجود. يظهر أحد هذه الأزواج بحيث يكون البوزيترون (الجسيم المضاد المشحون للإلكترون) أعلى الإلكترون الأصلي، ويقضي عليه. هذا يترك وراءه الإلكترون من الزوج، مزاحًا من الإلكترون الأصلي. نظرًا لعدم وجود طريقة للتمييز بين الإلكترونين، فكل ما ندركه هو حركة إلكترون واحد.
الآن تخيل عوضًا عن ذلك أن أزواج الجسيمات والجسيمات المضادة لا يمكن أن تنشأ من الفراغ ولكن فقط مربعات منها. في هذه الحالة، قد ينشأ مربع بحيث يقع أحد الجسيمات المضادة أعلى الجسيم الأصلي، مما يؤدي إلى القضاء على تلك الزاوية. ثم ينبثق مربعٌ ثانٍ من الفراغ بحيث يهلك أحد جوانبه مع وجود جانب من المربع الأول. هذا يترك وراءه الجانب المقابل للمربع الثاني، والذي يتكون أيضًا من جسيم وجسيم مضاد. تكون الحركة الناتجة هي حركة زوج جسيم - جسيم مضاد يتحرك جانبياً في خط مستقيم. في هذا العالم - مثال على مرحلة الكسر - يتم تقييد حركة الجسيم الفردي، ولكن يمكن للزوج أن يتحرك بيسر.
يأخذ كود Haah هذه الظاهرة أشد ما يكون: لا يمكن للجسيمات أن تتحرك إلا عندما يتم استدعاء جسيمات جديدة في أنماط متكررة لا تنتهي تسمى الفركتلات. لنفترض أن لديك أربعة جسيمات مرتبة في مربع، ولكن عندما تقوم بتكبير كل زاوية تجد مربعًا آخر من أربعة جسيمات قريبة من بعضها البعض. قم بتكبير الزاوية مجددا وستجد مربعًا آخر، وهكذا. لكي يتجسد مثل هذا الهيكل في الفراغ يتطلب الكثير من الطاقة بحيث يستحيل تحريك هذا النوع من الكسور. يسمح هذا بتخزين وحدات البت المستقرة جدًا - أجزاء الحوسبة الكمية - في النظام، حيث لا يمكن للبيئة تعطيل الحالة الحساسة للكيوبتات.
تجعل ثبات الكسور من الصعب للغاية وصفها على أنها سلسلة متصلة من بعيد. نظرًا لأن الجسيمات عادة ما تتحرك بحرية، إذا انتظرت طويلاً بما يكفي فسوف تتصارع في حالة توازن، تحددها خصائص الكتلة مثل درجة الحرارة أو الضغط. تتوقف أهمية المواقع الأولية للجسيمات. لكن الكسور عالقة في نقاط معينة أو يمكنها فقط التحرك في مجموعات على طول خطوط أو مستويات معينة. يتطلب وصف هذه الحركة تتبع المواقع المميزة للكسور، وبناء على ذلك لا يمكن للمراحل التخلص من طابعها المجهري أو الخضوع لوصف التسلسل المعتاد.
قال فيجاي، الباحث في جامعة كاليفورنيا، سانتا باربرا:
"إن سلوكهم المجهري الحازم يجعل من التحدي لتخيل أمثلة على الكسور والتفكير بشكل عميق فيما هو ممكن". "بدون وصف مستمر، كيف نحدد حالات المادة هذه؟"
قال تشين: "نفتقد جزءًا كبيرًا من الأشياء". "ليس لدينا أي فكرة عن كيفية وصفها وماذا تعني."
إطار عمل جديد للكسر
لم يتم تصنيع الكسور في المختبر بعد، لكن من المحتمل أن يتغير ذلك.
تم إثبات أن بلورات معينة ذات عيوب غير متحركة تشبه رياضياً الكسور. وقد انتشر المشهد النظري للكسور إلى ما هو أبعد مما توقعه أي شخص، مع ظهور نماذج جديدة كل شهر.
قال بريان سكينر، عالم فيزياء المادة المكثفة في جامعة ولاية أوهايو: "من المحتمل في المستقبل القريب أن يأخذ شخص ما أحد هذه المقترحات ويقول،" حسنًا، لنقم ببعض التجارب البطولية مع الذرات الباردة ونحقق بالضبط أحد نماذج الكسور هذه". الذي ابتكر نماذج الكسور.
حتى بدون تحقيقها التجريبي، فإن مجرد الاحتمال النظري للكسور دق أجراس الإنذار لـ Seiberg، الخبير الرائد في نظرية المجال الكمومي، الإطار النظري الذي يتم فيه وصف جميع الظواهر الفيزيائية تقريبًا.
تصور نظرية المجال الكمومي الجسيمات المنفصلة على أنها إثارة في مجالات مستمرة تمتد عبر المكان والزمان. إنها النظرية الفيزيائية الأكثر نجاحًا التي تم اكتشافها إطلاقا، وهي تشمل النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات - المعادلة الدقيقة بشكل مثير للإعجاب التي تحكم جميع الجسيمات الأولية المعروفة.
قال زايبرج: "الكسور لا تنسجم مع هذا الإطار. لذا فإن رأيي هو أن إطار العمل غير مكتمل".
هناك أسباب وجيهة أخرى للاعتقاد بأن نظرية المجال الكمومي غير مكتملة - لسببٍ واحد، أنها فشلت حتى الآن في حساب قوة الجاذبية. إذ تمكنوا من اكتشاف كيفية وصف الكسور في إطار نظرية المجال الكمي، فإن Seiberg ومنظِّرين آخرين يتوقعون أدلة جديدة نحو نظرية الجاذبية الكمية القابلة للتطبيق.
قال سايبيرج: "من المحتمل أن يكون التمييز لدى Fractons خطيرًا ، لأنه يمكن أن يدمر الهيكل بأكمله الذي لدينا بالفعل". "ولكن إما أن تقول إنها مشكلة، أو تقول إنها فرصة."
يعمل هو وزملاؤه على تطوير نظريات جديدة للمجال الكمي تحاول أن تشمل غرابة الكسور من خلال السماح ببعض السلوك المنفصل على قمة حجر الأساس للزمكان المستمر.
قال: "نظرية المجال الكمي هي بنية دقيقة للغاية، لذلك نود تغيير القواعد بأقل قدر ممكن"." نحن نسير على جليد رقيق للغاية، على أمل الوصول إلى الجانب الآخر."
المصدر:
Fractons, the ‘Weirdest’ Matter, Could Yield Quantum Clues | Quanta Magazine
ترجمة:
ميار المرسي
مراجعة وتدقيق:
زهراء الزاكي
"خريجة بكالوريوس كيمياء - علوم الحياة، هاوية فلكية، مهتمة بعلوم الفيزياء وبكتابة المقالات والشعر العربي"